Procédé de brassage pneumatique d'un bain de métal en fusion

Abstract

 Procédé de brassage pneumatique d'un bain de métal en fusion par introduction d'un fluide sous la surface.
L'invention consiste à injecter un fluide à l'état gazeux en dehors des périodes de brassage et à lui substituer, au cours des périodes de brassage, un fluide à l'état liquide susceptible de se vaporiser facilement au contact du métal en fusion.
L'invention s'applique aux traitements des métaux en fusion dans lesquels l'effet de brassage au gaz n'est recherché que temporairement et permet d'assurer la protection du dispositif d'injection avec un débit minimum de gaz tout en procurant, au moment du brassage, un débit de gaz satisfaisant.
L'invention est avantageusement mise en oeuvre pour la conversion pneumatique de la fonte dans un convertisseur à soufflage d'oxygène par le haut.

Description

[0001] La présente invention concerne les opérations de brassage pneumatique d'un bain de métal en fusion par injection d'un gaz sous la surface du bain.

[0002] On sait que de telles opérations trouvent application dans divers secteurs industriels et en particulier en sidérurgie, où il a déjà été proposé (demande de brevet français n° 2 322 202) d'étendre les possibilités métallurgiques des procédés de conversion pneumatique de la fonte en associant, dans le convertisseur, un soufflage d'oxygène par le haut au moyen d'une lance émergée, avec une insufflation de gaz inerte dans le bain métallique pendant et après l'affinage à l'oxygène au moyen de dispositifs d'injection débouchant sous la surface et implantés en paroi ou plus généralement dans le fond du récipient.

[0003] Un handicap de cette technique résulte du fait que bien souvent le brassage pneumatique n'est utile ou recherché, pour le traitement du métal, que temporairement alors que l'injection de gaz, qui procure ce brassage, est nécessaire en permanence pour éviter que le métal en fusion vienne boucher le dispositif d'injection en s'y solidifiant.

[0004] A cet égard, si, compte tenu des disponibilités en pression de l'installation, on calibre le dispositif d'injection de manière à obtenir un débit de gaz optimal pour le brassage, le débit minimum à respecter nécessairement en dehors des périodes de brassage pour protéger le dispositif d'injection contre les risques de bouchage constitue une pénalité substantielle au plan économique qui peut ne pas être justifiée par des raisons métallurgiques.

[0005] Inversement, si l'on calibre le dispositif d'injection de façon à minimiser le débit de protection, il est souvent difficile, voire impossible, d'atteindre ensuite les débits de gaz souhaitables pour un brassage efficace.

[0006] On peut alors songer à multiplier le nombre de dispositifs d'injection, mais ce faisant, on est ramené au problème précédent.

[0007] La présente invention a pour but de remédier à ces difficultés.

[0008] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de brassage pneumatique d'un bain de métal en fusion par introduction d'un fluide inerte au moyen d'un dispositif d'injection débouchant sous la surface du bain selon lequel l'effet de brassage n'est recherché que temporairement et caractérisé en ce que, en dehors des périodes de brassage, on alimente le dispositif d'injection avec un fluide à l'état gazeux, et en ce que, au cours des périodes de brassage, on substitue au fluide gazeux un fluide à l'état liquide susceptible de se vaporiser facilement au contact du métal en fusion.

[0009] Conformément à une variante, les fluides injectés respectivement sous forme gazeuse et sous forme liquide sont de même nature chimique.

[0010] Conformément à une autre variante, le fluide injecté sous forme liquide présente un rapport masse volumique/masse moléculaire de valeur élevée.

[0011] Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre aussi bien avec un dispositif d'injection constitué par des tuyères débouchant sous la surface du bain de métal en fusion qu'un dispositif d'injection constitué par une pluralité de pièces réfractaires, à perméabilité interne sélective et orientée, incorporées dans le fond du récipient contenant le bain de métal en fusion. De telles pièces réfractaires perméables ont été décrites dans la demande de brevet français n° 79/10.445 du 25 avril 1979, au nom du demandeur.

[0012] Comme on le comprend, l'invention consiste donc, dans ses caractéristiques essentielles, à modifier en cours d'opération l'état physique du fluide de brassage -et éventuellement sa nature chimique également- de manière à injecter un gaz de protection du dispositif d'injection lorsque le brassage du bain n'est pas nécessaire et à injecter un liquide de bras- sage lorsque cette nécessité a lieu.

[0013] Ainsi, l'invention apporte une solution élégante au problème posé en permettant de concilier les impératifs apparemment contradictoires de minimisation du débit de protection et d'optimisation du débit de brassage au moyen d'un même dispositif d'injection.

[0014] L'invention sera mieux comprise dans ses différents aspects et avantages grâce à la description ci-après de deux exemples d'application du brassage au gaz inerte au cours d'une opération d'affinage pneumatique de la fonte dans un convertisseur à soufflage d'oxygène par le haut.

Exemple 1

[0015] On considère un convertisseur de type LD d'une capacité de 60 t et dont le fond a été équipé d'un dispositif d'injection constitué par des tuyères en acier présentant un diamètre interne de 5 mm. Les tuyères sont au nombre de quatre uniformément réparties dans le fond et reliées à un système d'alimentation en azote dont la pression maximale permise est limitée à 15 bars relatifs.

[0016] Sur la figure jointe, on a représenté en 1 le convertisseur avec la lance 2 de soufflage d'oxygène par le haut. Le fond 3 du convertisseur est muni de tuyères 4. Les tuyères 4 sont constituées d'un tube central 5, à travers lequel passe l'azote liquide ou gazeux, et d'un tube extérieur 6 concentrique au tube 5 et définissant avec le tube 5 un espace annulaire dans lequel on injecte un fluide refroidissant. Les tubes 5 sont reliés à une nourrice 7 alimentée, soit en azote liquide provenant de la source 8, soit en azote gazeux provenant de la source 9. La mise en communication de la nourrice 7 avec la source 8 ou avec la source 9 se fait à l'aide de la vanne à trois voies symbolisée en 10. Les espaces annulaires définis entre les tubes 5 et 6 sont reliés à une source 11 de fluide refroidissant par l'intermédiaire d'une conduite 12. Le fluide refroidissant est, par exemple, du fuel ou du gaz carbonique liquide.

[0017] Au cours de la phase d'affinage à l'oxygène, le brassage à l'azote n'est pas nécessaire puisque la décarburation procure elle-même une agitation suffisante du bain métallique. Il s'agit donc, au cours de cette période, d'insuffler le minimum de gaz par tuyère, nécessaire pour éviter le bouchage de celle-ci. On sait que le critère généralement adopté consiste à obtenir au nez de la tuyère une vitesse sonique du gaz. Dans ces conditions, le débit minimal de protection est voisin de 10 1. d'azote par seconde et ce débit est obtenu sous une pression de 2 bars relatifs.

[0018] A la fin de la période d'affinage à l'oxygène, débute le traitement du bain par brassage à l'azote. On substitue alors de l'azote à l'état liquéfié à l'azote gazeux précédemment insufflé. Sous la pression maximale de 15 bars relatifs, le débit d'azote liquide passant dans la tuyère est de 0,2 1/sec. environ qui, au contact du métal en fusion dans le convertisseur se vaporise rapidement en fournissant un débit de gaz voisin de 120 1/sec., ce qui correspond à la valeur recherchée pour un brassage efficace.

[0019] A titre comparatif, si l'on continue à alimenter les tuyères en azote gazeux après la période d'affinage, le débit maximal de gaz pouvant être atteint par tuyère est seulement de 60 1/sec. environ.

[0020] Un tel débit pouvant être insuffisant pour assurer un brassage satisfaisant, on est alors amené, soit à doubler le nombre de tuyères, d'où un investissement et des frais d'exploitation supplémentaires, soit à utiliser des tuyères de plus grand diamètre interne, ce qui dans tous les cas, conduit à doubler la consommation d'azote nécessaire pour la protection des tuyères.

[0021] On voit que le procédé selon l'invention permet, dans le cas d'un brassage à l'azote de doubler le débit de brassage à débit de protection donné, ou, exprimé différemment, à réduire de moitié le débit de protection pour un débit de brassage donné.

[0022] Bien entendu, ces proportions sont valables pour l'azote et sont généralement modifiées avec la nature du gaz utilisé. Ainsi, si l'on utilise du gaz carbonique liquéfié, le débit de brassage maximal que l'on peut atteindre avoisine 60 1/sec., donc, beaucoup plus défavorable que dans le cas de l'azote. Il en est de même pour l'argon liquéfié avec un débit maximum de 65 1/sec. environ.

Exemple 2

[0023] On considère un convertisseur du type LD d'une capacité de 60 t. Cinq pièces réfractaires perméables sont incorporées à la maçonnerie du fond du convertisseur. Chacune de ces pièces est constituée par un assemblage ordonné et jointif de plaques réfractaires non poreuses, juxtaposées sans joint matériel d'étanchéité entre elles ; le serrage et la cohésion de ces plaques est assuré par frettage, au moyen d'une enveloppe métallique ; une plaque de fermeture complète l'enveloppe métallique de façon à assurer l'étanchéité de chaque pièce vis-à-vis de l'extérieur du convertisseur ; une conduite d'amenée du fluide est fixée de façon étanche sur cette plaque de fermeture et débouche dans un canal de répartition du fluide ménagé à l'intérieur de l'assemblage des plaques réfractaires constituant chacune des pièces réfractaires perméables.

[0024] Sur la figure 2 jointe, on a représenté en 1 le convertisseur avec la lance 2 de soufflage d'oxygène par le haut. Dans le fond 3 du convertisseur, sont placées les pièces réfractaires perméables 13. Chaque pièce 13 est constituée par un assemblage 14 de plaques réfractaires maintenu latéralement par une enveloppe métallique 15 complétée par une plaque de fermeture 16. Les pièces 13 sont reliées par des conduits 17 à une nourrice 7 alimentée, soit en azote liquide provenant de la source 8, soit en azote gazeux provenant de la source 9. La mise en communication de la nourrice 7 avec la source 8 ou avec la source 9 se fait à l'aide de la vanne 10.

[0025] Au cours de la phase d'affinage à l'oxygène, on injecte de l'azote gazeux à un débit minimum inférieur à 1/sec. ; ce débit est obtenu à une pression d'environ 1 bar. A la fin de la période d'affinage à l'oxygène, on injecte alors de l'azote à l'état liquide à un débit d'environ 0,3 1/sec. ; ce débit est obtenu à une pression d'environ 6 bars. Au contact du métal en fusion, l'azote liquide se vaporise rapidement et fournit un débit de gaz voisin de 200 1/sec.

[0026] Conformément à une variante de l'invention, les fluides gazeux et liquides sont de nature chimique différente. Par exemple, dans une opération d'affinage de la fonte, le gaz de protection peut être de l'argon et le liquide de brassage de l'azote liquide, dont le prix de revient est inférieur à celui de l'argon liquide et dont l'injection après la période d'affinage, c'est-à-dire dans un bain métallique fortement oxydé, ne présente plus un gros risque de nitruration de ce dernier. Par ailleurs, ce passage de l'argon à l'azote liquide permet d'atteindre un débit de gaz vaporisé qui, comme on l'a vu, ne pourrait être obtenu avec l'argon liquide.

[0027] Toutefois, l'utilisation de fluides de même nature présente de son côté un avantage pratique appréciable, à savoir la possibilité de mettre en oeuvre l'invention avec une seule source de gaz liquéfié.

[0028] Cette source unique est alors reliée au dispositif d'injection par deux circuits en parallèle dont l'un comprend un évaporateur et qui sont activés alternativement à l'aide d'un "by-pass", selon que l'on désire souffler le gaz de protection ou injecter le liquide de brassage.

[0029] Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux gaz liquéfiés, mais s'étend à tout fluide à l'état liquide dans les conditions standard de température et de pression, mais dans la mesure bien entendu où il n'est pas nuisible à l'élaboration du métal devant être brassé. Bien entendu, des mélanges de fluides de natures chimiques différentes sont également possibles.

[0030] Compte tenu de ce qui précède, on a avantage à utiliser un fluide de bras-sage qui, par unité de volume à l'état liquide, procure le plus gros volume de gaz par vaporisation au contact du métal en fusion.

[0031] D'une façon générale, on a donc avantage à choisir un fluide de bras- sage qui présente un rapport masse volumique/masse moléculaire le plus élevé possible.

[0032] A cet égard, les gaz liquéfiés apparaissent tout-à-fait appropriés. Mais d'autres fluides peuvent également convenir, tel que l'eau ou même des liquides organiques comme le tétrachlorure de carbone.

[0033] Ces considérations ne doivent pas en faire perdre de vue d'autres relatives à la viscosité du liquide de brassage dont dépend bien entendu le débit susceptible de pouvoir passer dans le dispositif d'injection sous une pression donnée. C'est ce qui explique que l'utilisation de l'argon liquide qui présente pourtant un rapport masse volumique/masse moléculaire sensiblement supérieur à celui de l'azote liquide (respectivement 35 et 29 1-1 environ) conduit à un débit de gaz vaporisé bien inférieur à ce dernier.

[0034] Par ailleurs, ces considérations ne tiennent pas compte des effets de refroidissement du bain occasionnés notamment par la vaporisation du fluide de brassage, mais on sait les contrebalancer le cas échéant par différents moyens d'apport calorifique d'appoint tels qu'un préchauffage du fluide lorsque cela est possible ou une prolongation du soufflage d'oxygène au-delà de la période d'affinage proprement dite.

[0035] En outre, le procédé selon l'invention permet de réduire la période de brassage par rapport à la technique connue. Il s'agit là d'un avantage appréciable, en particulier sur le plan thermique, car des études faites par les inventeurs ont montré que le refroidissement d'un bain d'acier dans un convertisseur pendant le brassage est moins le fait de l'insufflation du fluide de brassage que des pertes calorifiques occasionnées par les attentes pour les échantillonnages et la durée d'agitation du bain, encore que ces pertes s'amenuisent lorsque la capacité de convertisseur augmente.

[0036] Par ailleurs, il doit être souligné que si le liquide de brassage peut être dans les conditions standards de températures et de pression, un gaz que l'on a liquéfié préalablement à son injection, le contraire est tout à fait possible à l'égard du gaz de protection.

[0037] En effet, conformément à une variante, le gaz de protection du dispositif d'injection est, dans les conditions normales de température et- de pression, un liquide que l'on a vaporisé préalablement à son passage dans le dispositif d'injection.

[0038] On comprend immédiatement les avantages particuliers de cette variante en ce qui concerne précisément l'aspect "thermique" de l'opération.

[0039] Toutefois, conformément à une autre variante de réalisation, on associe à la protection du dispositif d'injection par un gaz provenant de la vaporisation préalable d'un liquide, un brassage du bain par injection d'un liquide provenant d'un gaz préalablement liquéfié, ce qui permet d'avoir un débit de gaz de brassage important, tout en réduisant dans une certaine mesure le refroidissement du bain en dehors des périodes de brassage.

[0040] Enfin, l'invention ne se limite pas, quant à ses applications, au brassage en convertisseur, mais s'étend à d'autres domaines, tels que le traitement de l'acier en poche, et de façon plus générale, à tout traitement de brassage pneumatique d'un bain de métal en fusion par injection d'un fluide de brassage sous la surface du bain.

Revendications

1. Procédé de brassage pneumatique d'un bain de métal en fusion par introduction d'un fluide inerte au moyen d'un dispositif d'injection débouchant sous la surface du bain, selon lequel l'effet de brassage n'est recherché que temporairement et caractérisé en ce que, en dehors des périodes de brassage, on alimente le dispositif d'injection avec un fluide à l'état gazeux et qu'au cours des périodes de brassage, on substitue au fluide gazeux un fluide à l'état liquide susceptible de se vaporiser facilement au contact du métal en fusion.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide gazeux et le fluide liquide sont de natures chimiques différentes.

3. Procédé selon l'une des revendications ou 2, caractérisé en ce que le fluide injecté à l'état liquide est un gaz, dans les conditions normales de température et de pression, que l'on a préalablement liquéfié.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fluide injecté à l'état gazeux est un liquide dans les conditions normales de température et de pression, que l'on a préalablement vaporisé.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fluide injecté à l'état liquide présente une valeur élevée du rapport entre sa masse volumique et sa masse moléculaire.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif d'injection est constitué par des tuyères débouchant sous la surface du bain de métal en fusion.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif d'injection est constitué par une pluralité de pièces réfractaires à perméabilité interne sélective et orientée, incorporées dans le fond du récipient contenant le bain de métal en fusion.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la conversion pneumatique de la fonte en acier dans un convertisseur à soufflage d'oxygène par le haut.

Dessins